基于單片機與LabVIEW的陰極保護智能監檢測系統

周偉 劉國楨 王廷勇 王輝

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.012

收稿日期：2023-06-07

摘? 要：文章針對海洋平臺陰極保護智能監檢測系統，采用單片機+HMI模式建立以太網通信，應用TCP通信協議采集保護陰極、犧牲陽極的電壓信號與電流信號并做數據記錄。陰極保護監測儀模塊采集系統與模塊進行通信，獲取、解析數據并將數據存儲至本地；陰極保護監測儀模塊采集系統與上位機進行通信，上位機下發指令，模塊采集系統通過相應指令將數據發送給上位機，實現海洋平臺陰極保護電位、犧牲陽極發生電流、陰極極化電流的高保真轉換和傳輸。

關鍵詞：單片機；HMI;陰極保護；監檢測系統；TCP

中圖分類號：TP368? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）02-0050-04

Cathodic Protection Intelligent Monitoring and Detection System Based on

Single-Chip Microcomputer and LabVIEW

ZHOU Wei， LIU Guozhen， WANG Tingyong， WANG Hui

（SunRui Marine Environment Engineering Co.， Ltd.， Qingdao? 266101， China）

Abstract： This paper focuses on the intelligent monitoring and detection system for cathodic protection on marine platforms， which adopts a Single-Chip Microcomputer+HMI mode to establish Ethernet communication. The TCP communication protocol is applied to collect voltage and current signals of the protective cathode and sacrificial anode， and record the data. The cathodic protection monitoring instrument module acquisition system communicates with the module to obtain， analyze， and store data locally; the cathodic protection monitoring instrument module acquisition system communicates with the upper computer， which issues instructions. The module acquisition system sends data to the upper computer through corresponding instructions， achieving high fidelity conversion and transmission of cathodic protection potential， sacrificial anode current， and cathodic polarization current on offshore platforms.

Keywords： Single-Chip Microcomputer; HMI; cathodic protection; monitoring and detection system; TCP

0? 引? 言

海洋屬十分苛刻的腐蝕環境，海洋平臺等海工裝備若不采取有效的防護措施，在短期內就會因腐蝕而發生損壞或失效。涂料+陰極保護技術是解決金屬結構物在海水中被腐蝕問題的有效途徑。陰極保護能夠大幅降低海工裝備的受腐蝕程度，提高裝備服役過程的安全性，延長裝備服役壽命。一些傳統的監測方法（比如潛水員檢測、ROV檢測等）往往成本高昂，并且沒有實時監測的功能，陰極保護監檢測在這種情境下應運而生。陰極保護監檢測可用于了解海洋平臺的腐蝕狀況，評估設備安全性，其中海洋平臺導管架陰極保護監檢測系統是較為重要的部分。

1? 外加電流陰極保護

利用外加直流電源和輔助陽極的陰極保護，是使被保護的金屬管路與直流電源的負極相連，設置輔助陽極與電源正極相連是使管路陰極極化以減輕或防止腐蝕的方法，又被稱為“強制電流陰極保護”。其工作原理是：直流電源開啟前，腐蝕電流從陽極流向陰極，陽極被腐蝕；電壓開啟后，腐蝕電流最先流向陰極，使之電位負向偏移，直至陰極陽極電位達到平衡狀態，腐蝕電流消失。區分犧牲陽極的陰極保護法和外加電流的陰極保護法最基本的方法就是看看有沒有外加電源，有外加電源就是外加電流的陰極保護法，沒有外加電源就是犧牲陽極的陰極保護法。

外加電流系統對直流設備的要求如下：1）可靠性高。2）使用壽命長。3）維護保養簡便。4）對環境的適應能力強。5）輸出的電流、電壓具有可調節性。6）具備防雷、過載及故障保護裝置。

外加電流系統的優點如下：輸出電壓可以調節，可用來保護大型甚至沒有防腐層的結構，土壤電阻率對其影響不大。

外加電流系統的缺點如下：1）一次性投入成本較高，日常維護需要可靠的外部電源，費用較高。2）對臨近的構筑物存在腐蝕干擾，尤其是輔助陽極附近，需要定期檢測是否對構筑物造成腐蝕干擾。3）陽極地床維修成本較高，產生的氣體不易排出從而產生氣阻，增大地床的電阻會影響地床的使用壽命。

外加電流的陰極保護是面向深水域環境友好的陰極保護方法。目前國內針對該方法的研究比較多，但關鍵技術還較為欠缺，還不夠成熟，因此，亟須開發一套基于外加電流陰極保護的系統。

2? 監檢測系統簡介

2.1? 系統特點

該項目控制系統的設計特點如下：1）借助單片機使控制器與觸摸屏結合而成海洋平臺陰極保護監測儀，并將臺式工控機作為上位機，將海洋平臺陰極保護監測儀作為下位機，通過上位機采集監控下位機數據，實現海洋平臺陰極保護電位、犧牲陽極發生電流、陰極極化電流的高保真轉換、存儲和傳輸。2）海洋平臺陰極保護監測儀選用觸摸屏工控機而不是常規觸摸屏，可以存儲數百GB的龐大數據，可進行長期記錄和選擇性刪除歷史數據，從而緩解了觸摸屏存儲空間小的弊端。3）在微軟視窗操作系統下運行，采用Windows圖形漢化界面，可提供人機對話功能，操作簡便。檢測系統可以對任何檢測點的保護電位進行連續檢測，檢測時間頻率在1～720分范圍內（可由用戶設定），能夠對異常電位發出警報。4）采用自行設計開發的高精度數據采集模塊進行數據采集，8路差分電壓或電流模擬量輸入，電壓輸入阻抗100 MΩ，通信接口RS485，波特率在1 200～115 200 bits/s之間，功率1.5 W。5）下位機觸摸屏軟件采用.Net6框架、C#語言，以WPF開發方式通過Visual Studio 2022開發而成，數據庫采用MySQL/SQLite進行本地存儲，通過與采集模塊和服務器等元器件進行交互、調度實現對數據的采集、顯示、上傳等功能，采用WebAPI接口方式進行數據傳輸，采集模塊數據實時回傳至服務器，以此保證數據的安全性和實時性。6）上位機軟件基于KLAB測試平臺開發。上位機軟件通過TCPSocket與下位機連接獲取硬件數據，實現數據的顯示、保存、積分運算、報警等功能。

2.2? 硬件配置

海洋平臺智能監檢測系統的監測裝置由水上部分和水下部分兩部分組成。水上部分主要包括初始極化數據采集存儲器及其密封箱與電源、陰極保護監測儀及其輔助設備（如UPS、動態補償器等）；水下部分主要包括復合參比電極、被監測陽極（包括測量電阻與絕緣法蘭）、被監測陰極及發生電流檢測器、護管、防水電纜和走線盒等。

海洋平臺陰極保護監測儀由機柜、工業平板電腦、UPS電源、電源控制模塊（開關電源/欠壓過壓保護器/浪涌保護器）、模擬量采集模塊等組成，其中模擬量采集模塊包括控制器、ADC數模轉換器、存儲器、RS-485通信模塊、DC-DC轉換器、MUX數據選擇器等。電控柜電氣原理圖如圖1所示，硬件電控柜內分布如圖2所示。

2.2.1? 單片機架構

系統以模擬量采集模塊為核心，模擬量采集模塊以ADI單片機為核心，由A/D模數轉換取樣模塊、I/O隔離輸入模塊、存儲模塊、電源轉換模塊和串口通信模塊組成。該系統具有以下特點：1）采用ADI單片機作為核心控制器，性能穩定可靠。2）模擬量采集模塊能夠對犧牲陽極以及保護陰極的電位電流等參數進行準確采集，并通過4～20 mA的電流信號傳送至采集模塊。3）I/O隔離輸入模塊能夠將工業現場的控制開關量傳送到單片機，隔離負載驅動模塊輸出相應的水泵控制信號。4）采用串口通信與GPRS上網相結合的方式，將采集到的信息傳送到控制中心PC機，實現遠程監控。5）該系統具有較高的精度和穩定性，適用于各種工業控制場合。

2.2.2? TCP通信配置

陰極保護監測儀模塊采集系統與上位機進行通信，上位機下發指令，模塊采集系統通過相應指令將數據發送給上位機。下位機用于存儲轉發數據，系統將模塊數據匯總采集上來后，會將數據存儲至本地，并將數據上傳至上位機。下位機采用TCP通信，下位機與上位機都是采用TCP協議傳輸數據的，所以需要建立鏈路并加以維持。

一般步驟如下：1）上位機作為客戶端，下位機作為服務端，上位機連接下位機。2）雙方建立通信關系作為判斷雙方是否在線的依據。

對多種協議進行權衡，最終選擇TCP字符串解析方式進行解析，避免粘包及數據混亂的問題，所有十六進制ASCII轉換為“字符串”，各項以空格分隔，數據采用“，”分隔方便數據解析。

歷史數據下發完成后，數據會根據間隔按條主動上傳，直至數據全部上傳完成。由于測試的實驗數據過多，為避免正式運行時傳輸無用的數據，在下位機觸摸屏上安裝一個刪除歷史數據的軟件，以此提高運行效率。

2.3? 監測軟件開發

LabVIEW是由NI公司開發的圖形化界面編程軟件，上位界面采用LabVIEW進行編寫，通過TCP通信協議進行命令發送，并對采集到的數據信息進行存儲。

上位機軟件通信首先要將IP及接口與下位機保持在同一個網段，下位機軟件需要與下位機的IP處于同一個網段內，軟件通過TCP與下位機通信獲取硬件數據，并實現數據的顯示、保存、積分運算、報警等功能。

2.3.1? 數據顯示主界面

數據顯示主界面如圖3所示，主頁面中詳細說明內容如下：

A區域。下位機控制：用來顯示下位機連接狀態，向下位機發送指令等。設備連接：是一個指示燈，亮綠色代表下位機已連接獲取設備信息。點擊這個按鈕可以在B區域查看下位機相關信息獲取實時數據。點擊這個按鈕可以向下位機請求一次數據，數據會在C、D區域顯示出來。注意如果下位機數據尚未準備好，則不會收到數據。設備對時：在后面的“對時時間”輸入框中鍵入時間（例如20230131110559）后，點擊按鈕會進行下位機對時。如果輸入框中無內容，則默認使用當前時間修改設備編號。在后面的“設備編號”輸入框中輸入新的字符（例如DEV123）后，點擊按鈕發送給下位機進行修改。注意編號必須是6字節，且不能有標點和中文。設置采樣率：在后面的“采樣頻率”輸入框中輸入新的字符（例如1234），然后點擊按鈕發送給下位機。請求歷史數據：在后面三個輸入框中輸入對應的三個參數后，點擊按鈕發送給下位機。

B區域。顯示下位機收到指令后的應答：當A區域發給下位機的指令應答是數據時，應答直接顯示在C區域和D區域，否則在B區域對應控件中顯示應答結果。

C區域。下位機上報的數據以表格形式顯示：超出閾值的通道會自動標紅，顯示上面的數據時間戳是下位機發送的數據所攜帶的時間，當發送的是歷史數據的時候，這個時間可能會與當前實際時間不一致。

D區域。下位機上報的數據以圖形形式顯示。

E區域。下位機上報的數據超出閾值或發生模塊故障時以文字形式顯示出來。

F區域。傳感器布局示意圖。

G區域。截止到當前通過已接收的數據計算出來的損耗率和壽命。

2.3.2? 歷史數據查看界面

歷史數據查看界面如圖4所示，上方是控制按鈕，左側是文件中保存的通道?？梢酝ㄟ^將文件拖拽到中間區域，查看各個通道的歷史數據。也可以通過創建一個虛擬通道，計算兩個或多個通道的平均值。在公式中填寫avg1 = （RE1A + RE2A） / 2，點擊“確定”后將會顯示“avg1”這條平均值曲線。事實上，所開發的軟件中支持公式計算的有很多，具體可以查看軟件內的幫助，可以選中任意時間段任意通道的數值進行計算。

2.3.3? 其他界面

其他界面包括報警信息界面、報警信息記錄界面、積分運算界面。其中積分運算界面可進入計算頁面，其中K和m0是默認的計算參數，如果需要修改直接填寫對應值，然后點擊下方的計算，此時會在表格中顯示計算結果——根據截止到當前已接收的數據計算出來的損耗率和壽命；當數據超出閾值或下位機報告模塊出現故障時，軟件會把錯誤通道和錯誤模塊顯示在軟件界面上，同時也保存到文件里面（即記錄報警信息）；報警記錄反映了實時的報警信息和報警歷史記錄，方便用戶查看所有的報警歷史。用戶也可以將任何一段時期感興趣的數據同時選中，進行比較，可以打印出來以供分析之用。我們的歷史數據都會被打包按時間保存，隨時可以調用出來進行數據分析，同時可以按照時間段選擇性刪除不需要的數據，以便后續進行更為深入的分析。

3? 結? 論

本文給出了海洋平臺陰極保護智能監檢測系統的總體設計方案，基于對各組成電路模塊的詳細設計，編寫了相應的上位軟件，用于對系統運行進行實時監控，隨時獲取外加電流的陰極保護電流及電壓、犧牲陽極的陰極保護電流及電壓，如果發生報警可以第一時間獲取信息（比如上位機下位機連接失敗，電流電壓的數值超過報警值等）。完成集中監測和控制系統的硬件設計和相應上位軟件的開發，同時結合工業現場的環境以及市場需求，進行環境適應性和可靠性設計，達到了預期的性能指標。這套基于工業現場環境以及市場需求完成的陰極保護檢測裝置，可以為保護陰極提供有效的腐蝕防護，具有廣闊的應用和拓展前景。

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作者簡介：周偉（1993—），女，漢族，山東青島人，中級工程師，碩士研究生，研究方向：電氣自動化控制。